Пары воды, или водяной пар – самый частый вид пара, с которым человек сталкивается что в природе, что в производстве, что в быту. А паром в целом называется газообразная агрегатная фаза обычно жидкого тела, которая появляется при испарении. У паров тот же состав, что и у изначальной жидкости, но отдельные молекулы не соединены связями и обладают намного большей кинетической энергией. При этом общая масса является одинаковой, так как общее число частиц осталось прежним.

Пара паров: различия двух видов пара

Есть два главных вида пара: водяной и насыщенный
Водяной, или ненасыщенный, пар – так называется газовая форма вещества, которая поднимается над поверхностью жидкости. Данное парообразование происходит как пассивным образом, например, при испарении или конденсации, так и активным – посредством кипения или сублимации. В обычных условиях окружающей среды такой пар легко смешивается с воздухом.

Но если создать другие условия – закрытую емкость, интенсивное парообразование в результате кипения, повышенное давление – то водяной пар может приобрести новые свойства и перейти в состояние насыщенности.

В свою очередь, насыщенным паром называют полученную посредством активного парообразования в ходе кипения особую газообразную форму воды. Для него характерно сохранение газообразного агрегатного состояния несмотря на равное с жидкостью количество молекул и предельные значения плотности и давления вещества.

Отличия

Как видите, уже используя такое определение можно выделить ключевые различия, которые отделяют обычный водяной пар от насыщенного.

Во-первых, водяной пар образуется при более пассивном испарении и в открытом пространстве, что позволяет ему свободно перемещаться, рассеиваться и занимать максимальный возможный объем, вплоть до полного рассредоточения в окружающей среде. На одну и ту же единицу объема приходится значительно большая площадь испарения. Насыщенный же пар при этом находится в положении «термодинамического равновесия». Точка этого равновесия охарактеризована равенством давления и плотности между паром и жидкостью, из которой он появился. Это возможно лишь в закрытом сосуде и при интенсивном кипении.

Во-вторых, насыщенный водяной пар, так как достигает термодинамического равновесия, находится в состоянии высокого давления. Обычно оно настолько высокое, что лишь немногим не достает до конденсации вещества, и обычно она и происходит, если охладить пар. В то же время ненасыщенный пар, соответственно, термодинамическим равновесием с жидкостью не обладает, отличается низким давлением и низкой плотностью получающихся испарений из-за их рассредоточенности.

Насыщенность делает пар по своим физическим характеристикам очень близким к так называемому «идеальному газу».

Из этого следует итоговый список различий между насыщенным и водяным паром:

  • Насыщенный пар находится в термодинамическом равновесии с исходной жидкостью, а водяной – нет.
  • Давление у водяного пара не зависит от температуры, в отличие от пара насыщенного.

  • Плотность у насыщенного пара намного выше, чем у водяного.
  • При образовании насыщенного пара общее количество жидкости остается неизменным, а при образовании водяного – постепенно становится меньше до полного испарения.

Перегретый пар и его особенности

Допустимый, у вас был водяной пар в какой-то емкости с жидкостью. Вы стали ее нагревать еще сильнее – получился насыщенный пар. Но что, если не останавливаться на достигнутом и продолжать нагревать пар, уже достигший динамическое равновесие? Тогда получится так называемый «перегретый» или «насыщенный сухой» пар. У него есть целый ряд отличительных характеристик:

У перегретого пара намного большая внутренняя теплота, чем у насыщенного. Она увеличивается намного быстрее и интенсивнее. Все дело в том, что при его образовании температура и давление не вызывают друг у друга зависимость. Это позволяет изменить эти показатели более свободно, достигая еще большей эффективности работы оборудования при условиях полной сухости пара
Перегретый пар обладает значительно большим удельным объемом. Расширение объема газообразного вещества увеличивает производительность работающих на нем механизмов за счет большего давления на стенки емкостей и турбины, более эффективно используя его энергию
Перегретый пар характеризуется отсутствием конденсации, он не переходит в жидкую форму, пока не охлажден. Постоянное подогревание создает условие, при котором к молекулам пара не присоединяются частицы воды. Процесс конденсации образуется после снижения температуры до значений характерных для образования насыщенного вещества.

Объединив отличия, характеризующие оба состояния паров, можно заключить, что в перегретом состоянии вещество способно повысить КПД вырабатываемого циклами различных тепловых машин. Для получения перегретого состояния используют дополнительные устройства.

Как происходит переход из одного состояния в другое?

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Переход из состояния насыщенности в перегретый пар происходит путем поднятия температуры в закрытом пространстве выше, чем температура кипения. Важно отметить, что давление при переходе остается неизменным.

Процесс перехода водяного пара из одного состояния в другое хорошо виден на примере работы парового котла. Оборудование работает при постоянном поддержании определенной высокой температуры за счет сгорания топлива.

Внутри его конструкции проходят основные стадии парообразования:

  1. Нагревание жидкости в котле до момента образования насыщения
  2. Образование газообразного соединения.
  3. Подогрев до момента перехода из насыщенного состояния к перегретому.

В закрытой емкости находится очищенная вода, при включении работы котла внутри жидкость начинает нагреваться. Тепло влияет на активность молекул, которые начинают активно двигаться из-за ускорения в повышении кинетической энергии.

Молекулы движутся быстро, начинают вырываться с поверхности воды в воздух, образуется пар, постепенно объем закрытого сосуда заполняется все большим количеством молекул, все также активно движущихся и передающих друг другу и воде энергию при контакте. Пока объем сосуда полностью не заполнится, его называют ненасыщенным.

Когда свободного пространства для движения становится недостаточно, нарастает давление и плотность частиц, происходит процесс конденсации. Отяжелевшие молекулы начинают возвращаться обратно к жидкости.

Их число равно количеству, вырывающемуся из нее, давление приобретает постоянный характер. В этот момент происходит достижение равновесия с жидкостью, и пар становится насыщенным.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
После процесса насыщения вещество может перейти на новую стадию – перегрев. Насыщенный газ пропускают через специальное оборудование, пароперегреватель, в котором поддерживается температура выше, чем температура кипения.

Перегреватель запускает процесс выпаривания влаги, насыщенный пар становится перегретым. Состояние газа характеризуется большим объемом и меньшей плотностью.

Интересное видео по теме:

Частые вопросы

Когда люди начали использовать пар?

Первый прототип паровой машины был изобретен Героном Александрийским в в 1 веке нашей эры. Но по-настоящему эффективные паровые машины смогли создать лишь в 19 веке.

Связан ли водяной пар с кипением?

Водяной пар в природе может возникать в природе из-за кипения, но редко. Это происходит в случае геотермальных источников, гейзеров и подводных вулканов.

Кипение это единственный способ получения пара?

Нет. Помимо кипения, которое происходит при высоких температурах, и испарения, которое происходит постепенно и при низких температурах, есть сублимация, которая происходит с твердыми веществами. Обычно для нее необходимо очень высокое значение температуры, но некоторые вещества, вроде сухого льда, сублимируют даже в комнатных условиях.

Чист ли водяной пар?

Обычно водяной пар по своей чистоте близок к дистилляту, потому что при испарении все примеси в жидкости остаются в воде. Но из-за деятельности человека (например, городского смога и химикатов) при конденсации водяной пар может стать загрязнен токсичными веществами.

Где пар встречается в природе?

Помимо круговорота воды, как результат испарения с поверхностей морей, озер и рек, он существует в виде гейзеров.

Заключение

Процесс перехода жидкости из одного агрегатного состояния в другое и изменение свойств получившегося пара позволяет получить значимое количество энергии из сравнительно небольших объемов воды. Свойства насыщенного и перегретого пара использует различная техника.

Это предоставляет различные возможности по извлечению кинетической энергии из тепловой. Их применяют, как многофункциональные и незаменимые части работы многих процессов как химического, так и пищевого производства, а также ряда других отраслей.

Они используются в:

  1. Работе турбин.
  2. Увлажнении материалов.
  3. Очистке труднодоступных участков систем.
  4. Стерилизации продукции.
  5. Дезинфекции рабочей среды.
  6. Очистке.